金属电阻温度系数测定的实验技术改进

唐绪兵,汪文明,杜逐波,杨祥林,孙 云

(安徽工业大学 微电子与数据科学学院,安徽 马鞍山 243032)

当温度不太高时,多数金属的电阻随温度的升高而增大,金属电阻与温度的关系可近似认为是线性的,即

Rt=R0(1+αt)=R0+R0αt,

(1)

其中α为电阻温度系数,Rt、R0分别是t和0 ℃时金属的电阻值。根据(1)式,只要测出不同温度下金属的电阻值,即可得其电阻温度系数α。

金属电阻的温度系数测定是高校物理实验教学的基本项目之一[1]。待测金属为一段漆包铜丝线,由于在温度0～100 ℃范围内铜丝电阻属于低值电阻,一般采用水浴法进行控温,并利用双臂电桥[2]测量其阻值。因此,精准控温是完成实验的关键。

1 温控装置

1.1 温控装置组成结构

温控装置的组成结构如图1所示。按照功能可划分为:1个主控制单元、3个控制模块和1个温控腔,如图2所示。主控单元为STM32F103单片机,有112个IO接口,512kb的Flash和64kb SRAM存储容量。3个控制模块包括:测温模块、显示调节模块和控温模块。其中测温模块为PT100温度传感器[3,4],通过PT100热电阻温度与阻值的变化关系得出温度变量,综合精度±0.5°,温度采集范围可以在-25 ℃～+125 ℃。显示和调节模块为一块2.8寸电容触摸液晶显示屏,由STM32F103RC单片机直接驱动,可以预设温度值。按下“确认”按键。显示屏可显示铝块腔体内空气的当前温度,近似为待测电阻的温度,也可以显示大功率PTC加热片的实时温度。继电器作为控温模块,根据温度传感器的数值,执行单片机的温控程序。

图1 温控系统的硬件组成

图2 温控系统的控制模块

1.2 温控腔

温控腔为圆形空腔的铝合金柱体,并配置铝合金盖板,外形长宽高为50 mm×50 mm×70 mm,空腔直径为30 mm,铝合金温场控制腔外四个侧面分别相对安装高功率和低功率PTC加热片,同时在高功率PTC外固定一个测温传感器(见图3)。盖板中间打直径为5 mm圆孔,安装金属管,并将温度传感器无接触管壁的方式固定在管内,金属管外均匀密绕待测金属丝。

图3 铝合金盖板和温场控制腔实物图

PTC(称为正温度系数热敏电阻)加热片内核为热敏电阻(见图3),阻值随温度升高而增大,其功率可调[5-6]。本实验中的两片小功率PTC的升温功率为45 W,发热片维持表面80 ℃恒温功率降为5 W,两片大功率PTC的升温功率为50 W,发热片维持表面160 ℃恒温功率降为15 W。采用高温PTC加热片是为了在当前温度与目标温度差很大的能实现快速升温,但是当前温度与目标温度较为接近时,改为低温PTC加热,在临近目标温度时全部断电,让温度缓慢弛豫到温控点。

1.3 温控方案

由于温度场具有弛豫现象,特别是铝合金热沉,即使当继电器断电,其热量也会慢慢向腔内释放,导致温控的稳定性变差。假设t为目标温度,t1为温控腔内的温度(通过温度传感器1读取),t2为高温PTC加热片的温度(通过温度传感器2读取),目标温度t可以在单片机显示面板上设定(见图4),温度传感器1和2的温度值也可以在单片机上显示。实验方案中采用了如下的程序判断和执行动作,如图5所示。

图4 单片机和液晶显示模块

图5 程序流程图

需要阐明的是,根据多次实验过程的测试,本方案条件判断中的两个温度点设定为a=7 ℃和b=3 ℃。

2 实验结果

为了验证改进效果,利用双臂电桥对同一种材质的漆包线进行水浴法和单片机温控法进行实验测量。每种方法测量了3次(见表1～2),并对实验数据进行拟合,得到6次实验的结果(见图6～11)。实验中记录的是电桥平衡时R外的阻值,它是待测漆包铜丝阻值的100倍,拟合R外与温度的直线图,斜率与截距之比为待测电阻的温度系数。

表1 水浴法测量数据

T/℃

T/℃

T/℃

T/℃

T/℃

T/℃

表2 单片机温控法三组测量数据(工作温差值a=7,b=3)

表3 两种温控法的测量结果对比

查阅资料[7]可知软铜线在0～100 ℃的电阻温度系数是0.003 93 ℃,电阻率为0.017 2Ω/mm2,由表3可见改进后的实验设备测量结果更准确。

3 结论与展望

水浴法测量漆包铜丝的电阻温度系数为0.004 56/℃,相对误差为16.0%,单片机温控法的电阻温度系数为0.004 01/℃,相对误差为2.0%,显然改进后的实验装置相对误差更小,对实验数据进行线性拟合,每一组实验数据的相关系数R2都达到了0.999以上,说明利用单片机温控法对金属电阻温度系数测定的实验技术改进较为成功。